锻造工艺学5.ppt

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1、第五章第五章 自由锻工艺自由锻工艺材料科学与工程学院Seite 2 自由锻工艺过程的自由锻工艺过程的实质实质是利用简单和通是利用简单和通用的工具逐步改变坯料的形状和尺寸，从用的工具逐步改变坯料的形状和尺寸，从而获得所要求形状和性能的锻件的加工过而获得所要求形状和性能的锻件的加工过程。程。Seite 3 特点：特点：1逐步变形方式，其所需设备功率比模锻要小得多，逐步变形方式，其所需设备功率比模锻要小得多，可以用较小设备锻较大锻件；可以用较小设备锻较大锻件；2锻件精度低，生产效率低，适合小批、单件、大锻件精度低，生产效率低，适合小批、单件、大型锻件的生产。型锻件的生产。自由锻工艺要研究的自由锻工艺

2、要研究的内容内容是：锻件的成形规律和如何提是：锻件的成形规律和如何提高锻件质量两方面。高锻件质量两方面。在重型机械中，自由锻是生产大型锻件和特大型锻件唯在重型机械中，自由锻是生产大型锻件和特大型锻件唯一成型的方法。一成型的方法。Seite 4 Seite 5 5-1 自由锻件的分类及变形方案的确定自由锻件的分类及变形方案的确定为了便于制订工艺规程，自由锻件可分为以下几类：为了便于制订工艺规程，自由锻件可分为以下几类：1轴杆类锻件：轴向尺寸远大于横截面尺寸。基本工轴杆类锻件：轴向尺寸远大于横截面尺寸。基本工序为：拔长或镦粗拔长序为：拔长或镦粗拔长2矩形断面锻件：可归为轴杆类矩形断面锻件：可归为轴

3、杆类3曲轴类锻件：不仅沿轴线有截面形状和面积变化，曲轴类锻件：不仅沿轴线有截面形状和面积变化，而且轴线有多方向弯曲。而且轴线有多方向弯曲。基本工序为：拔长、错移、扭转基本工序为：拔长、错移、扭转Seite 6 Seite 7 Seite 8 4盘形类（饼块类）锻件：横向尺寸大于高度尺寸。盘形类（饼块类）锻件：横向尺寸大于高度尺寸。基本工序为：镦粗基本工序为：镦粗 5空心类锻件：有中心通孔。空心类锻件：有中心通孔。基本工序为：镦粗、冲孔、扩孔、或芯轴拔长等基本工序为：镦粗、冲孔、扩孔、或芯轴拔长等6弯曲类锻件：具有弯曲的轴线，弯曲可以是对称的，弯曲类锻件：具有弯曲的轴线，弯曲可以是对称的，也可是

4、不对称的。也可是不对称的。基本工序为：拔长、弯曲基本工序为：拔长、弯曲 7复杂形状锻件复杂形状锻件 不同工序的组合。不同工序的组合。Seite 9 锻件类别图例锻造工序 盘类零件镦粗（或拔长镦粗），冲孔等轴类零件拔长（或镦粗拔长），切肩，锻台阶等筒类零件镦粗（或拔长镦粗），冲孔，在芯轴上拔长等环类零件镦粗（或拔长镦粗），冲孔，在芯轴上扩孔等弯曲类零件拔长，弯曲等锻件分类及所需锻造工序锻件分类及所需锻造工序 Seite 10 5-2 自由锻工艺规程的制定自由锻工艺规程的制定 自由锻工艺规程自由锻工艺规程的内容：的内容：根据零件图绘制锻件图；根据零件图绘制锻件图；确定坯料的质量和尺寸；确定坯料的质

5、量和尺寸；制订变形工艺及选用工具；制订变形工艺及选用工具；选择设备吨位；选择设备吨位；确定锻造温度范围，制订坯料加热和锻件冷却规范；确定锻造温度范围，制订坯料加热和锻件冷却规范；制订锻件热处理规范；制订锻件热处理规范；提出锻件的技术条件和检验要求；提出锻件的技术条件和检验要求；填写工艺规程卡片等。填写工艺规程卡片等。Seite 11 一、绘制锻件图一、绘制锻件图锻件图锻件图是以零件图为基础，考虑了加工余量、锻是以零件图为基础，考虑了加工余量、锻件公差、锻造余块、检验试样及工艺夹头等因素件公差、锻造余块、检验试样及工艺夹头等因素绘制而成。绘制而成。Seite 12 1加工余量加工余量 当锻造不能

6、达到零件的尺寸精度和粗糙度要求当锻造不能达到零件的尺寸精度和粗糙度要求时，零件表面需增加一层供切削加工用的金属，称为机械加工时，零件表面需增加一层供切削加工用的金属，称为机械加工余量，简称余量。余量，简称余量。零件的公称尺寸零件的公称尺寸余量后的尺寸余量后的尺寸锻件公称尺寸锻件公称尺寸锻件的余量、余块锻件的余量、余块Seite 13 2余块余块 为了简化锻件的外形或锻造工艺的需要，通常需为了简化锻件的外形或锻造工艺的需要，通常需要添加金属。这种加添的金属部分叫做余块。要添加金属。这种加添的金属部分叫做余块。锻造时，有些零件上的小孔，尺寸不大的凹档或台阶等，锻造时，有些零件上的小孔，尺寸不大的凹

7、档或台阶等，一般不锻出，而加上余块，以简化锻件形状和操作。但简化一般不锻出，而加上余块，以简化锻件形状和操作。但简化后的锻件形状，会增加金属的消耗和机械加工工时。因此，后的锻件形状，会增加金属的消耗和机械加工工时。因此，是否要加放余块应根据零件的形状、尺寸和锻造技术水平及是否要加放余块应根据零件的形状、尺寸和锻造技术水平及经济效益等具体情况而定。经济效益等具体情况而定。Seite 14 3锻造公差锻造公差 由于设备精度或技术差异，锻件实际尺由于设备精度或技术差异，锻件实际尺寸达不到公称尺寸，允许存在一定的误差，就是锻造公寸达不到公称尺寸，允许存在一定的误差，就是锻造公差。差。确定余量必须保证锻

8、件在机械加工时能获得所需要的零确定余量必须保证锻件在机械加工时能获得所需要的零件尺寸和粗糙度，选择余量和公差时根据工厂的实际情件尺寸和粗糙度，选择余量和公差时根据工厂的实际情况来定。况来定。Seite 15 4检验用试样及工艺夹头检验用试样及工艺夹头 供锻后组织性能检验以及方便供锻后组织性能检验以及方便锻后热处理的吊挂和机械加工的夹持等。锻后热处理的吊挂和机械加工的夹持等。5绘制锻件图绘制锻件图 在锻造余量、公差和各种余块确定后，便可在锻造余量、公差和各种余块确定后，便可绘制锻件图。绘制锻件图。锻件的外形用锻件的外形用粗实线粗实线描绘，标出锻造公称尺寸和公差，同描绘，标出锻造公称尺寸和公差，同

9、时在公称尺寸后面或下面标出零件尺寸并加上括号以示区别。时在公称尺寸后面或下面标出零件尺寸并加上括号以示区别。为了帮助了解成品零件的形状和便于锻后检查余量，应在锻为了帮助了解成品零件的形状和便于锻后检查余量，应在锻件图上用件图上用假想线（双点划线或细实线）假想线（双点划线或细实线），描绘出描绘出零件零件的轮廓的轮廓形状。形状。Seite 16 一张完善的锻件图，除必须表明锻件的形状尺寸，余量一张完善的锻件图，除必须表明锻件的形状尺寸，余量公差，材料牌号，锻后热处理方法和要求外，个别重要零件，公差，材料牌号，锻后热处理方法和要求外，个别重要零件，还应在锻件图中表明截取机械性能实验，金相组织试样的方

10、还应在锻件图中表明截取机械性能实验，金相组织试样的方向和位置以及其它特殊要求。向和位置以及其它特殊要求。典型锻件图 Seite 17 二、坯料重量和尺寸的计算二、坯料重量和尺寸的计算1坯料重量的计算坯料重量的计算 坯料的重量包括锻件重量和损耗重量。损耗系数指火耗、切坯料的重量包括锻件重量和损耗重量。损耗系数指火耗、切除料头与冲孔芯料等的损耗。即：除料头与冲孔芯料等的损耗。即：G坯坯=(G锻锻+G芯芯+G切切)(1+)式中式中 G锻锻 锻件重量锻件重量(kg)，依公称尺寸确定；，依公称尺寸确定；G芯芯 冲孔芯料损失，取决于冲孔方式；冲孔芯料损失，取决于冲孔方式；G切切 拔长后切除料头的损失，取决

11、于切除部位的尺寸；拔长后切除料头的损失，取决于切除部位的尺寸；钢料加热烧损率钢料加热烧损率Seite 18 2坯料尺寸的计算坯料尺寸的计算 头道工序用镦粗法锻造时，为避免弯曲，高径比应小于头道工序用镦粗法锻造时，为避免弯曲，高径比应小于2.5，为便于下料，高径比应大于，为便于下料，高径比应大于1.25。即。即 从而可得从而可得 D0=(0.81.0)a0=(0.750.9)Seite 19 当头道工序为拔长时，原坯料直径应按锻件最大截面积当头道工序为拔长时，原坯料直径应按锻件最大截面积S锻锻,并考虑锻比并考虑锻比KL和修整量等要求来确定：和修整量等要求来确定：S坯坯KLS锻锻 即即D0=1.1

12、3KLS锻锻 再按国家材料规格，选取标准直径或标准边长，然后计算再按国家材料规格，选取标准直径或标准边长，然后计算坯料高度（下料长度）：坯料高度（下料长度）：圆坯料圆坯料 方坯料方坯料 Seite 20 3钢锭规格选择钢锭规格选择 第一种方法：先根据各种损耗求出利用率第一种方法：先根据各种损耗求出利用率：=1-(冒口冒口+锭底锭底+烧损烧损)100%式中式中 碳素钢钢锭：碳素钢钢锭：冒口冒口=18%25%，锭底锭底=5%7%合金钢钢锭：合金钢钢锭：冒口冒口=25%30%，锭底锭底=7%10%然后计算钢锭的计算然后计算钢锭的计算G锭锭：G锭锭=(G锻锻+G损损)式中式中 G损损 除冒口、锭底及烧

13、损外的损耗量。除冒口、锭底及烧损外的损耗量。最后按最后按G锭参照有关钢锭规格表选取相应规格的钢锭。锭参照有关钢锭规格表选取相应规格的钢锭。Seite 21 第二种方法第二种方法(经验法经验法)：根据锻件类型，参照经验资料先定出概略的钢锭利用率根据锻件类型，参照经验资料先定出概略的钢锭利用率，然后求得钢锭的计算质量然后求得钢锭的计算质量 G锭锭=G锻锻再从有关钢锭规格表中，选取所需的钢锭规格。再从有关钢锭规格表中，选取所需的钢锭规格。Seite 22 三、变形工艺过程的制订三、变形工艺过程的制订内容：自由锻成形的基本工序、辅助工艺和修整内容：自由锻成形的基本工序、辅助工艺和修整工序，以及各变形工

14、序的顺序和中间坯料尺寸等工序，以及各变形工序的顺序和中间坯料尺寸等各类锻件变形工序的选择，应根据锻件的形各类锻件变形工序的选择，应根据锻件的形状、尺寸和技术要求，结合各锻造工序的变形状、尺寸和技术要求，结合各锻造工序的变形特点，参考有关典型工艺而具体确定。特点，参考有关典型工艺而具体确定。Seite 23 各工序坯料尺寸设计和工序选择是同时进行的，各工序坯料尺寸设计和工序选择是同时进行的，在确定各工序毛坯尺寸时应注意：在确定各工序毛坯尺寸时应注意：坯料尺寸必须符合变形规则。如镦粗时的高径比坯料尺寸必须符合变形规则。如镦粗时的高径比小于小于3等。等。应考虑各工序变形时坯料尺寸的变化规律。如冲应考

15、虑各工序变形时坯料尺寸的变化规律。如冲孔时坯料高度略有减小，扩孔时坯料高度略有增加等。孔时坯料高度略有减小，扩孔时坯料高度略有增加等。锻件最后需要精整时，应留有修整量。锻件最后需要精整时，应留有修整量。大锻件须多火次完成时，应考虑中间各火次加热大锻件须多火次完成时，应考虑中间各火次加热的可能性。的可能性。Seite 24 四、锻造比的确定四、锻造比的确定 锻造比是表示锻造比是表示锻件变形程度锻件变形程度的一种方法，也是保证锻的一种方法，也是保证锻件质量的一个重要指标。应合理选择锻造比。件质量的一个重要指标。应合理选择锻造比。型材一般经过大变形的锻轧，组织性能均得到改善，型材一般经过大变形的锻轧

16、，组织性能均得到改善，一般不须考虑锻造比。一般不须考虑锻造比。钢锭的锻造必须考虑锻造比。钢锭的锻造必须考虑锻造比。一般要求锻造比大于一般要求锻造比大于3。Seite 25 典型锻件的锻造比见表典型锻件的锻造比见表锻件名称计算部位锻造比锻件名称计算部位锻造比碳素钢轴类锻件最大截面2.02.5锤头最大截面2.5合金钢轴类锻件最大截面2.53.0水轮机主轴轴身2.5热轧辊辊身2.53.0水轮机立柱最大截面3.0冷轧辊辊身3.55.0模块最大截面3.0齿轮轴最大截面2.53.0航空用大型锻件最大截面6.08.0Seite 26 在使用锻锤进行锻造时，必须正确选择合适的设备。在使用锻锤进行锻造时，必须正

17、确选择合适的设备。用小的设备锻造太大的锻件，锻件内部锻不透，而且生用小的设备锻造太大的锻件，锻件内部锻不透，而且生产率低。产率低。反之，小型锻件用太大的设备进行锻造速度慢，打反之，小型锻件用太大的设备进行锻造速度慢，打击力不易控制，也是不适宜的。击力不易控制，也是不适宜的。五、设备吨位的计算与选择五、设备吨位的计算与选择根据作用在坯料上力的性质，自由锻设备根据作用在坯料上力的性质，自由锻设备分为锻锤和液压机两大类。分为锻锤和液压机两大类。Seite 27 锻锤产生冲击力使金属坯锻锤产生冲击力使金属坯料变形。锻锤的吨位是以落下料变形。锻锤的吨位是以落下部分的质量来表示的。生产中部分的质量来表示的

18、。生产中常使用的锻锤是空气锤和蒸汽常使用的锻锤是空气锤和蒸汽空气锤。空气锤利用电动机空气锤。空气锤利用电动机带动活塞产生压缩空气，使锤带动活塞产生压缩空气，使锤头上下往复运动进行锤击。它头上下往复运动进行锤击。它的特点是结构简单，操作方便，的特点是结构简单，操作方便，维护容易，但吨位较小，只能维护容易，但吨位较小，只能用来锻造用来锻造100kg以下的小型锻以下的小型锻件。蒸汽空气锤采用蒸汽和件。蒸汽空气锤采用蒸汽和压缩空气作为动力，其吨位稍压缩空气作为动力，其吨位稍大，可用来生产质量小于大，可用来生产质量小于1500kg的锻件，的锻件，Seite 28 正确选择锻锤的吨位，需要考虑变正确选择锻

19、锤的吨位，需要考虑变形面积、锻件的材质和变形温度。精确形面积、锻件的材质和变形温度。精确计算选择锻锤的吨位，需要计算材料的计算选择锻锤的吨位，需要计算材料的变形力。变形力。在实际工作中采用在实际工作中采用查表法查表法，既快又，既快又方便。方便。Seite 29 液压机产生静压力使金属坯料变液压机产生静压力使金属坯料变形。目前大型水压机可达万吨以上，形。目前大型水压机可达万吨以上，能锻造能锻造300300吨的锻件。由于静压力作吨的锻件。由于静压力作用时间长，容易达到较大的锻透深用时间长，容易达到较大的锻透深度，故液压机锻造可获得整个断面度，故液压机锻造可获得整个断面为细晶粒组织的锻件。液压机是大

20、为细晶粒组织的锻件。液压机是大型锻件的唯一成形设备，大型先进型锻件的唯一成形设备，大型先进液压机的生产常标志着一个国家工液压机的生产常标志着一个国家工业技术水平发达的程度。另外，液业技术水平发达的程度。另外，液压机工作平稳，金属变形过程中无压机工作平稳，金属变形过程中无振动，噪音小，劳动条件较好。但振动，噪音小，劳动条件较好。但液压机设备庞大、造价高。液压机设备庞大、造价高。Seite 30 5-3 大型锻件锻造大型锻件锻造的特点的特点 大型锻件泛指在大吨位锻压设备上锻造的大型锻件泛指在大吨位锻压设备上锻造的外形尺外形尺寸和重量较大寸和重量较大的锻件，其中主要是大型自由锻件，通的锻件，其中主要

21、是大型自由锻件，通常把一万常把一万KN以上的锻造水压机或以上的锻造水压机或5t以上自由锻锤上锻以上自由锻锤上锻造的重型锻件，称为大型锻件。造的重型锻件，称为大型锻件。Seite 31 大型锻件生产的主要特点：大型锻件生产的主要特点：质量要求严格质量要求严格 质量可靠、性能优良等冶金质量、锻质量可靠、性能优良等冶金质量、锻造、热处理技术的优化与控制、质量分析与测试技术等有造、热处理技术的优化与控制、质量分析与测试技术等有关。关。工艺过程复杂工艺过程复杂 包括：冶炼、铸锭、加热、锻造、粗包括：冶炼、铸锭、加热、锻造、粗加工、热处理等。工艺环节多、周期长、连续性强、集体加工、热处理等。工艺环节多、周

22、期长、连续性强、集体劳动、生产技术复杂。劳动、生产技术复杂。生产费用高生产费用高 材料、能源、工具、设备等消耗大，所材料、能源、工具、设备等消耗大，所以提高材料利用率、降低消耗、减少废品率，在技术上和以提高材料利用率、降低消耗、减少废品率，在技术上和经济上具有重要的意义。经济上具有重要的意义。Seite 32 几个主要问题：几个主要问题：一、大型钢锭的加热特点一、大型钢锭的加热特点 横截面尺寸大，加热时内外温度差比中小型锻横截面尺寸大，加热时内外温度差比中小型锻坯大得多，温度应力、组织应力和残余应力等问题坯大得多，温度应力、组织应力和残余应力等问题要充分重视。加热时要保证充分均匀热透。要充分重

23、视。加热时要保证充分均匀热透。Seite 33 二、热锻变形对金属组织和性能的影响二、热锻变形对金属组织和性能的影响1破碎铸态组织，细化晶粒破碎铸态组织，细化晶粒 变形程度达到一定值，铸变形程度达到一定值，铸态的粗晶、树枝状晶以及晶界物质被击碎，经过随后的态的粗晶、树枝状晶以及晶界物质被击碎，经过随后的再结晶形成新的等轴细晶组织。这对于某些不能通过热再结晶形成新的等轴细晶组织。这对于某些不能通过热处理方式改变晶粒尺寸的钢，如奥氏体钢，可以通过严处理方式改变晶粒尺寸的钢，如奥氏体钢，可以通过严格控制变形温度，并保证足够的变形量，通过锻造来细格控制变形温度，并保证足够的变形量，通过锻造来细化晶粒。

24、化晶粒。2降低偏析程度，改善碳化物及夹杂物的分布降低偏析程度，改善碳化物及夹杂物的分布 Seite 34 3锻合内部孔隙锻合内部孔隙 钢锭越大，那么内部缺陷越多，致密钢锭越大，那么内部缺陷越多，致密性越低，内部的孔隙多，所以锻合压实孔隙就是大型锻性越低，内部的孔隙多，所以锻合压实孔隙就是大型锻造中存在的一个很重要的内容。造中存在的一个很重要的内容。通过大量生产经验和模型实验，发现具备以下条件有利通过大量生产经验和模型实验，发现具备以下条件有利于锻合孔隙的：于锻合孔隙的：良好的应力状态，如足够的静水压力。良好的应力状态，如足够的静水压力。足够大的变形量足够大的变形量 足够高的变形温度。足够高的变

25、形温度。孔隙锻合的机理孔隙锻合的机理：在上述变形条件下，首先发生屈服、：在上述变形条件下，首先发生屈服、变形，进而闭合，压紧，最后在高温高压作用下焊合、变形，进而闭合，压紧，最后在高温高压作用下焊合、压实。经过合理的锻压，材料的致密性、连续性、力学压实。经过合理的锻压，材料的致密性、连续性、力学性能显著改善。性能显著改善。Seite 35 4形成纤维组织形成纤维组织 变形后，晶粒沿主应变方向拉长，变形后，晶粒沿主应变方向拉长，晶界物质随之变化，造成变形后的组织性能具有一定的晶界物质随之变化，造成变形后的组织性能具有一定的方向性，在低倍显微镜下可以明显的看到这种方向性。方向性，在低倍显微镜下可以

26、明显的看到这种方向性。其中塑性夹杂呈条状，脆性物质呈链状。这种不均匀分其中塑性夹杂呈条状，脆性物质呈链状。这种不均匀分布再结晶后也不会消失，这种方向性的热变形组织结构，布再结晶后也不会消失，这种方向性的热变形组织结构，称为称为“纤维组织纤维组织”或或“流线流线”。Seite 36 由于沿纤维方向的力学性能要高于垂直于纤由于沿纤维方向的力学性能要高于垂直于纤维方向的力学性能，这就要根据锻件的受力情况维方向的力学性能，这就要根据锻件的受力情况和破坏情况，正确控制流线的分布。这样制订出和破坏情况，正确控制流线的分布。这样制订出合理的锻造工艺，改善制件的承载能力，防止失合理的锻造工艺，改善制件的承载能

27、力，防止失效破坏，提高使用性能。效破坏，提高使用性能。Seite 37 5锻造对锻件性能的影响锻造对锻件性能的影响 经锻造压实、再结晶后，经锻造压实、再结晶后，致密性、均匀性都大有提高，综合力学性能相应提高。致密性、均匀性都大有提高，综合力学性能相应提高。而锻造比的大小对锻件力学性能影响最大。而锻造比的大小对锻件力学性能影响最大。随着锻比的增加，纵向和横向的塑性和强度指标随着锻比的增加，纵向和横向的塑性和强度指标均有明显增长。继续增大锻造比，则增长缓慢，并形均有明显增长。继续增大锻造比，则增长缓慢，并形成纤维组织，横向塑性、韧性指标开始下降，明显低成纤维组织，横向塑性、韧性指标开始下降，明显低于纵向的，出现异向性。于纵向的，出现异向性。一般来说，大型锻件的锻造比在一般来说，大型锻件的锻造比在26的范围内。的范围内。Seite 38 三、大型锻件变形工艺分析三、大型锻件变形工艺分析 生产大锻件必须根据对锻件组织性能的具体要生产大锻件必须根据对锻件组织性能的具体要求。恰当地选用变形工艺。因此，有必要对大锻件求。恰当地选用变形工艺。因此，有必要对大锻件锻造中常用变形工艺的特点进行具体分析。锻造中常用变形工艺的特点进行具体分析。